＊基于光纖混沌激光FBG壓力傳感的實(shí)驗(yàn)研究

張 麗，秦建敏，侯 煜（．太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，物理與光電工程學(xué)院，太原03004；．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京00038）

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＊基于光纖混沌激光FBG壓力傳感的實(shí)驗(yàn)研究

張 麗1，秦建敏1，侯 煜2
（1．太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，物理與光電工程學(xué)院，太原030024；2．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

摘 要：基于非線性克爾效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦電流及環(huán)形腔內(nèi)光的偏振狀態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)形摻鉺光纖激光器混沌的輸出。結(jié)合光纖Bragg光柵（FBG）與環(huán)形摻鉺光纖混沌激光器，利用混沌的類似detla函數(shù)特性，驗(yàn)證和分析了基于摻鉺光纖混沌激光器的分布式光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用參考混沌光與反射的混沌光之間的互相關(guān)特性，可以準(zhǔn)確的判斷出光柵串中每個(gè)光纖Bragg光柵的位置，通過(guò)可調(diào)諧濾波器很容易獲得受壓后光纖光柵中心波長(zhǎng)的改變量。

關(guān)鍵詞：混沌；光纖Bragg光柵；相關(guān)特性

青年科技研究基金（2012021013－2）

（Tel）18234133026

通訊聯(lián)系人：秦建敏，教授，博導(dǎo)，（Tel）13700502213

混沌信號(hào)固有的隨機(jī)性、寬帶寬和類似delta函數(shù)的特性，使其在保密通信［1］，隨機(jī)碼發(fā)生器［2］以及傳感器［3］方面成為研究的熱點(diǎn)。由于光纖傳感器本身具有體積小重量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、適于惡劣環(huán)境、集信息傳感與傳輸于一體等優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感器在酒精汽油混合染料質(zhì)量監(jiān)測(cè)工業(yè)領(lǐng)域［4］，溫度達(dá)1 000℃特殊條件的危險(xiǎn)領(lǐng)域［5］以及軍用領(lǐng)域［6］得到廣泛的應(yīng)用。

目前，已經(jīng)有不同種類和不同特性的混沌傳感不斷被研發(fā)。例如電混沌傳感，混沌化學(xué)傳感和混沌無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)［7－9］。特別是混沌和光纖存在的自身優(yōu)勢(shì)，使混沌光纖傳感的研究日益得到重視。可以利用非線性的微腔環(huán)裝置中的混沌信號(hào)產(chǎn)生脈沖極化糾纏光子來(lái)研究雙折射傳感的應(yīng)用［10］；基于混沌系統(tǒng)依賴于初始條件的極高敏感性特性，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的混沌光纖環(huán)諧振器作為傳感器來(lái)檢測(cè)光纖伸長(zhǎng)量、衰減和折射率多個(gè)參數(shù)物理量的變化［11］。波長(zhǎng)為532nm的大功率和高分辨率的混沌激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)用來(lái)水下測(cè)距和成像，此發(fā)射機(jī)是根據(jù)一個(gè)超長(zhǎng)腔的光纖激光器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào)來(lái)抑制散射［12］；將半導(dǎo)體光纖環(huán)形激光器中的一段光纖用作傳感光纖且激光器輸出為具有幀結(jié)構(gòu)的偏振混沌光構(gòu)建混沌光纖圍欄系統(tǒng)，任意位置的入侵都會(huì)改變光纖雙折射分布狀態(tài)，激光器輸出波形即刻被改變，通過(guò)相鄰幀輸出波形的互相關(guān)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)入侵的檢測(cè)［13］。由于海水的流動(dòng)噪聲很大，一般水聽(tīng)器的時(shí)域檢測(cè)系統(tǒng)收到的信號(hào)往往是信噪比很低的微弱信號(hào)，利用混沌振子對(duì)被測(cè)周期小信號(hào)的敏感性和對(duì)噪聲的免疫力，獲取水聲信號(hào)，這種方法具有更低的信噪比門限和更短的測(cè)試時(shí)間［14］。雖然混沌在傳感領(lǐng)域的研究得到了快速的發(fā)展，但是光纖混沌傳感的理論和技術(shù)應(yīng)用方面落后于歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，因此，需不斷開(kāi)拓和創(chuàng)新混沌在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文基于非線性克爾效應(yīng)，利用摻鉺光纖環(huán)形激光器來(lái)產(chǎn)生混沌，將光纖Bragg光柵作為敏感元件結(jié)合混沌信號(hào)的相關(guān)特性，可以準(zhǔn)備對(duì)每個(gè)光纖Bragg光柵定位，通過(guò)可調(diào)諧濾波器檢測(cè)出當(dāng)敏感元件受壓時(shí)產(chǎn)生的Bragg光柵波長(zhǎng)的漂移量，從而獲得外界物理量的信息。

1　傳感原理及實(shí)驗(yàn)裝置

1．1 光纖Bragg光柵傳感的工作原理

光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)如圖1，它是折射率沿軸向變化的一段光纖，是一種具有濾波功能的全光纖器件，它具有確定的中心反射波長(zhǎng)可根據(jù)需要定制

圖1　光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of fiber Bragg grating

且可作為敏感元件，而光纖Bragg光柵只會(huì)對(duì)滿足條件的波長(zhǎng)發(fā)生反射作用，可利用式（1）表示為

λB＝2neffΛ．（1）

式中：neff為光纖纖芯區(qū)的有效折射率；Λ為光纖Bragg光柵周期。

當(dāng)光柵受到外界環(huán)境的作用例如壓力、溫度等物理量的變化時(shí)，這些物理量的變化都會(huì)導(dǎo)致光柵的折射率和光柵周期的變化，根據(jù)式（1）明顯可知，光柵的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移，可以通過(guò)測(cè)量光柵中心波長(zhǎng)的漂移量間接獲得物理量的信息，這即為光纖Bragg光柵傳感的最基本原理。

如果光柵只受到應(yīng)力作用時(shí)，光纖彈光效應(yīng)、彈性形變對(duì)折射率和光柵周期的改變會(huì)引起光柵的中心波長(zhǎng)的變化。則光纖Bragg光柵受到力的作用時(shí)，其中心波長(zhǎng)的變化ΔλB與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系可以用式（2）來(lái)表示［15］為

式中：Pe為有效彈光常數(shù)；P11，P12為彈光系數(shù)；ν為纖芯材料的泊松系數(shù)。根據(jù)式（2）可得只要獲得波長(zhǎng)的變化量，就可以得到應(yīng)力的大小，因此檢測(cè)波長(zhǎng)變化量ΔλB是獲得外界物理量作用的關(guān)鍵參數(shù)。

1．2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于摻鉺光纖環(huán)形混沌激光器的光纖Bragg光柵傳感裝置如圖2所示，主要由摻鉺光纖環(huán)形激光器和光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)組成。摻鉺光纖環(huán)形激光器主要包括波分復(fù)用器（WDM）、8m長(zhǎng)的摻鉺光纖（EDF）、隔離器（ISO）、偏振控制器（PC）和可調(diào)諧光纖光柵濾波器（TFBG）組成。980nm的半導(dǎo)體激光器最大的輸出功率為250mW，通過(guò)一個(gè)980 nm／1 550nm的波分復(fù)用器來(lái)泵浦摻鉺光纖。隔離器可確保光在環(huán)中單向傳輸。

摻鉺光纖環(huán)型混沌激光器和光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)利用2×2的耦合器（OC1）連接，經(jīng)耦合器（OC2）分成兩束光，一部分通過(guò)光電探測(cè)器（PD1）作為參考光，另一部分光通過(guò)光纖環(huán)形器（Circula－

圖2　基于摻鉺光纖環(huán)形混沌激光器的光纖Bragg光柵傳感裝置圖Fig．2 Experimental setup of optical Bragg grating sensing based on Erbium－doped fiber chaotic laser

tor）進(jìn)入光纖光柵串，光柵串中反射回的光經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器（PD2）輸出。輸出的信號(hào)利用示波器（OSC）進(jìn)行采集，最后通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3　摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出功率隨泵浦電流變化曲線圖Fig．3 Output power and pump current curveof the Erbium－doped fiber chaotic laser

早在1999年，基于非線性克爾效應(yīng)，Abaibanel et al［16］對(duì)摻鉺光纖環(huán)形激光器模型混沌的產(chǎn)生進(jìn)行了理論分析。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)搭建了摻鉺光纖環(huán)形激光器的裝置，如圖2所示，當(dāng)環(huán)腔內(nèi)單模光纖長(zhǎng)度為10m時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器和泵浦電流，摻鉺光纖激光器會(huì)輸出鎖模、多脈沖和暗脈沖等多種現(xiàn)象。但是只有調(diào)節(jié)摻鉺光纖環(huán)腔中的偏振控制器于一個(gè)恰當(dāng)位置，隨著泵浦電流的逐漸增加，摻鉺光纖環(huán)形激光器會(huì)輸出倍周期且經(jīng)倍周期路徑進(jìn)入混沌狀態(tài)。圖3為摻鉺光纖混沌激光器輸出功率隨著泵浦電流變化的曲線圖。在泵浦電流為60～400 mA范圍內(nèi)，激光器輸出的功率隨著泵浦電流成線性關(guān)系變化。在泵浦電流為65～85mA時(shí)，環(huán)形激光器輸出倍周期狀態(tài)，在泵浦電流為85～400mA范圍內(nèi)，隨著泵浦電流的逐漸增加，環(huán)形激光器輸出混沌光。同時(shí)，利用光譜儀采集泵浦電流為150mA時(shí)，摻鉺光纖激光器輸出的混沌光的光譜特性如圖4所示，中心波長(zhǎng)為1 556nm。當(dāng)泵浦電流為150mA時(shí)，摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出的混沌的狀態(tài)特性如圖5所示，從圖5－c的相關(guān)圖中的高峰值旁瓣很明顯地獲得混沌信號(hào)本身所攜帶的摻鉺光纖環(huán)腔長(zhǎng)的信息，每相鄰的兩個(gè)旁瓣之間距離為摻鉺光纖環(huán)形激光器周期為100ns利用公式T＝Ln／c獲得，所對(duì)應(yīng)環(huán)腔的長(zhǎng)度L＝20m，光速度為c＝3×108m／s，纖芯折射率為n≈1．5?；煦缧盘?hào)的這種現(xiàn)象將限制其在測(cè)距、壓力和溫度等物理量檢測(cè)中的應(yīng)用。因此為了實(shí)現(xiàn)基于摻鉺光纖混沌激光器實(shí)現(xiàn)在光纖Bragg光柵的壓力傳感中的應(yīng)用。在與圖5實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，增加摻鉺光纖環(huán)形激光器中單模光纖長(zhǎng)度為3km時(shí)的混沌狀態(tài)來(lái)做研究。當(dāng)增加環(huán)長(zhǎng)后，泵浦電流為360mA時(shí)，摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出的混沌狀態(tài)為圖6所示。

圖4　當(dāng)泵浦電流為150mA時(shí)，摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出混沌的光譜圖Fig．4 Chaotic optical spectrum of the Erbium－doped fiber laser under the pump current of 150mA

圖5　泵浦電流為150mA時(shí)，摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出混沌的狀態(tài)圖Fig．5 Chaotic states of the Erbium－doped fiber chaotic laser with pump current of 150mA

圖6所示狀態(tài)的混沌光，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置圖2所示的第二個(gè)30∶70的耦合器后，30%的光作為參考光，通過(guò)光電探測(cè)器PD1進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出到示波器數(shù)據(jù)采集。70%的光進(jìn)入刻有5個(gè)相同光纖Bragg光柵（中心波長(zhǎng)約為1 552．991nm）的光柵串，光經(jīng)過(guò)每個(gè)光柵均有7%的光反射回光電探測(cè)器PD2。當(dāng)光纖Bragg光柵在未受到任何外界任何作用，處于自由狀態(tài)時(shí)，利用可調(diào)諧濾波器將混沌源的光波長(zhǎng)和光纖光柵的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)一致，經(jīng)過(guò)PD1的參考光和經(jīng)過(guò)PD2的反射光通過(guò)示波器采集數(shù)據(jù)，再做互相關(guān)運(yùn)算，光柵串中每個(gè)光纖Bragg光柵距參考光的距離可以通過(guò)互相關(guān)曲線進(jìn)行精確的定位。那么互相關(guān)函數(shù)可以用式（4）來(lái)表示為式中：x（t）表示參考信號(hào)光的函數(shù)表達(dá)式；kx（t＋τ）表示反射信號(hào)光的函數(shù)表達(dá)式；表示參考信號(hào)光函數(shù)與反射信號(hào)光函數(shù)作卷積運(yùn)算；k為傳輸損耗系數(shù)；τ為反射信號(hào)光相對(duì)參考信號(hào)光的延遲時(shí)間。

圖6　泵浦電流為360mA時(shí)，摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出混沌的狀態(tài)圖Fig．6 Chaotic states of the Erbium－doped fiber chaotic laser with pump current of 360mA

式（4）可以表示為參考信號(hào)光和反射信號(hào)光的互相關(guān)函數(shù)具有delta函數(shù)線型，因此可以通過(guò)互相關(guān)曲線，可以精準(zhǔn)的對(duì)光纖光柵串中的每個(gè)光纖Bragg光柵進(jìn)行位置的確定［17］。

當(dāng)光纖Bragg光柵沒(méi)有受到外界任何作用，處于自由態(tài)時(shí)，相同的5個(gè)光纖Bragg光柵的反射光的波長(zhǎng)和混沌參考光的波長(zhǎng)相一致。那么在泵浦電流為360mA時(shí)，對(duì)參考光和反射光作互相關(guān)，所得互相關(guān)曲線如圖7。圖7中a，b，c，d和e點(diǎn)分別表示光柵串中5個(gè)光纖Bragg光柵FBG1，F(xiàn)BG2，F(xiàn)BG3，F(xiàn)BG4和FBG5的反射光與參考光的互相關(guān)峰值坐標(biāo)，橫坐標(biāo)值表示每個(gè)光柵距參考光之間的距離，縱坐標(biāo)表示相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)對(duì)光柵串中的第一個(gè)光柵施加壓力時(shí)，光柵的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生漂移Δλ1，此時(shí)，F(xiàn)BG1的反射波長(zhǎng)為1 552．991nm＋Δλ1，而參考光中的混沌信號(hào)波長(zhǎng)仍處于自由態(tài)波長(zhǎng)1 552．991nm，因此參考光波長(zhǎng)和受壓的光柵中心波長(zhǎng)不匹配。從圖8－a中互相圖可明顯的看出FBG1反射光與參考光的相關(guān)系數(shù)降低，降低的程度與外界對(duì)光柵施加的壓力有關(guān)系。如果對(duì)FBG1施加壓力后，調(diào)節(jié)摻鉺光纖環(huán)形激光器中的可調(diào)諧濾波器使混沌源波長(zhǎng)改變?chǔ)う?，此時(shí)對(duì)參考光和反射光做互相關(guān)，那么相對(duì)于其他的波長(zhǎng)該變量Δλ而言，只有波長(zhǎng)改變?yōu)棣う?的混沌光FBG1互相關(guān)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)可以通過(guò)可調(diào)諧濾波器直接獲得波長(zhǎng)該變量，進(jìn)而間接的獲得外界壓力的信息。

圖7　光纖傳感系統(tǒng)中參考光與反射光互相關(guān)曲線圖Fig．7 Cross－correlation curve from reference andreflected chaotic light of fiber sensing system

圖8－a、圖8－b、圖8－c和圖8－d表示分別對(duì)光纖Bragg光柵FBG1，F(xiàn)BG2，F(xiàn)BG3和FBG4施加不同的壓力后，通過(guò)示波器采集反射信號(hào)和參考信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得出反射光與參考光的互相關(guān)曲線圖。因此對(duì)于任意一個(gè)光纖Bragg光柵而言，只有光柵的中心波長(zhǎng)與混沌源即參考光的波長(zhǎng)相一致的時(shí)候，光柵的反射光與參考光做互相關(guān)后，它的相關(guān)系數(shù)才會(huì)達(dá)到最大。而且外界對(duì)光柵施加的壓力越大，光柵中心波長(zhǎng)漂移量就越大，那么相關(guān)系數(shù)也就越小。

圖8　分別對(duì)光纖Bragg光柵施加壓力后，參考光和反射光的互相關(guān)曲線圖Fig．8 Cross－correlation curve from reference and reflected chaotic light of fiber sensing system，when the optical Bragg grating subjected to the pressures

3　結(jié)束語(yǔ)

基于摻鉺光纖環(huán)形混沌激光器的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)，利用混沌信號(hào)的類delta特性對(duì)光纖Bragg光柵反射光與參考光的互相關(guān)特性進(jìn)行了研究。當(dāng)光纖Bragg光柵受到力的作用時(shí)，光柵中心波長(zhǎng)的漂移量可以利用摻鉺光纖環(huán)形激光器中可調(diào)諧濾波器進(jìn)行測(cè)量。利用互相關(guān)曲線中，每個(gè)相關(guān)峰分別對(duì)應(yīng)每個(gè)光纖Bragg光柵的位置，通過(guò)可調(diào)諧濾波器改變混沌光的波長(zhǎng)，互相關(guān)中對(duì)應(yīng)光柵位置的相關(guān)峰值達(dá)到最大時(shí)，可調(diào)諧濾波器波長(zhǎng)的改變量即為外界壓力引起的光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的偏移量，便于測(cè)量。

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（編輯：劉笑達(dá)）

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Experimental Study on Optical Fiber Bragg Grating Pressure Sensing Based on Chaotic Fiber Laser

ZHANG Li1，QIN Jianmin1，HOU Yu2
（1．Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System，Ministry of Education and
Shanxi Province，College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan030024，China；2．China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

Abstract：Based on the nonlinear Kerr effect，chaos output from erbium－doped fiber ring laser was verified experimentally by adjusting pump current and polarization state of light in ring cavity．Combining fiber Bragg grating（FBG）and ring chaotic fiber laser，distributed FBG sensing system based on the chaotic fiber laser was demonstrated by using chaos’similar properties of delta function．The experimental results show that the correlation between reference light from fiber ring laser and reflected light from FBG could precisely locate the position of each FBG．The variation of FBG wavelength induce by stress can be easily detected with tunable filter．

Key words：chaos；optical fiber Bragg grating；correlation

作者簡(jiǎn)介：張麗（1985－），女，山西興縣人，博士生，主要從事光纖靜冰壓力檢測(cè)研究，（E－mail）zhang219li＠126．com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金：基于空氣、冰與水物理特性差異的冰層生消過(guò)程與力學(xué)強(qiáng)度連續(xù)在線檢測(cè)原理研究（51279122）；山西省

收稿日期：＊2015－01－06

文章編號(hào)：1007－9432（2015）03－0341－06

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．019

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN248；TN249